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研究生:周正晟
研究生(外文):Zheng-Cheng Chou
論文名稱:FPGA-Based交流感應馬達驅動器之研製
論文名稱(外文):Study and Realization of an FPGA-Based Induction Motor Driver
指導教授:彭世興彭世興引用關係
指導教授(外文):Shyh-Shing Perng
學位類別:碩士
校院名稱:國立宜蘭大學
系所名稱:電機工程學系碩士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2007
畢業學年度:95
語文別:中文
論文頁數:95
中文關鍵詞:交流感應馬達純量控制向量控制現場可程式化閘陣列硬體描述語言
外文關鍵詞:IMPure measure controlVector controlFPGAVHDL
相關次數:
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摘 要

本論文主要研究以FPGA為基礎交流感應馬達驅動器之研製,在本論文中之控制法則使用純量控制法則與向量控制法則。在實作上,採用Xilinx Virtex-II XC2V250大型FPGA晶片,並以軟體模式與硬體模式來實現。為了簡化設計與降低電路複雜度,程式採用模組化方式設計,在軟體模式中,FPGA晶片內部設計一16位元的DSP核心,並以組合語言撰寫驅動器控制法則之模組,再將各模組加以整合成完整之架構,實現以軟體模式完成感應馬達驅動器之製作。在硬體模式中,設計驅動器之控制法則,將不透過DSP核心來設計,雖在電路上之設計較為複雜,但可節省FPGA晶片大量的資源。在設計上以硬體描述語言(VHDL)設計其控制電路、驅動電路、速度偵測電路、電流偵測電路,控制電路仍採用模組化方式設計。為提高電路運算精確度,軟體模式與硬體模式之數值運算皆採用16位元有符號2的補數方式設計。再將軟體模式實作結果與硬體模式實作結果加以分析及比較,以達成以FPGA實現交流感應馬達驅動器之目的。
由實驗結果顯示,本論文以單一FPGA晶片分別實現軟體模式與硬體模式之感應馬達驅動器,在效能上皆能達到不錯的響應,即證實本論文所製作以FPGA為基礎感應馬達驅動器不論軟體模式或硬體模式都可驗證其可行性,對於未來各種馬達控制法則於FPGA晶片之設計提供良好的雛形。





關鍵字:交流感應馬達、純量控制、向量控制、現場可程式化閘陣列、硬體描述語言。
Abstract
This thesis is the study and realization of an FPGA-based Induction Motor driver. The control rules that are used in this thesis are pure measure control rules and vector control rules. As in reality uses the Xilinx Virtex-II XC2V250 large FPGA chip, and carry out by the software mode and hardware mode.
In order to simplify the design and minimize the circuit’s complexity, the module form is used to design the program. In the software mode, a 16-bits DSP core is designed into an FPGA chip, and use assembly language to write the control rules of the driver that’s in the module. Then sort every individual module into an intact framework, which accomplish the fabrication of using software mode to complete the Induction Motor drives. In the hardware mode, the control rules of the driver will not be designed through the DSP core, although the circuit might be more complicated, but it can save FPGA chip a great amount of resources. The control circuit, drive circuit, speed sensor circuit, and current sensor circuit are all designed by VHDL. The control circuit is still designed by modulating. To increase the circuit’s calculating precision, the numerical calculation of the hardware mode and software mode are both using the method of 16-bits signed 2’s to design. Then take the result of the software mode and the hardware mode to make analysis and comparison, in order to achieve the purpose of using FPGA materializing the Induction Motor drives.
The result of the experiment in this thesis reveals that, through a single FPGA chip to materialize the Induction Motor drives of the software mode and the hardware mode, can both reach great efficiency. Which practically proves the feasibility of FPGA materialize the Induction Motor drives of either software mode or hardware mode. Provide a fine embryo for all sorts of motor control method of FPGA microchip’s design in the future.

Keywords:IM, Pure measure control, Vector control, FPGA, VHDL
目 錄
中文摘要 I
英文摘要 II
致 謝 III
目 錄 IV
圖 目 錄 VII
表 目 錄 XV
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究背景與目的 2
1.3 內容大網 3
第二章 三相感應馬達純量控制技術 4
2.1 交流馬達的動作原理 4
2.2 三相交流感應馬達的V/F控制技術 5
2.3 三相交流變頻技術 6
2.3.1正弦脈寬調變策略 7
2.4 三相交流感應馬達的閉迴路純量控制技術 8
第三章 三相感應馬達向量控制技術 10
3.1 三相感應馬達的數學模型 10
3.2 三相感應馬達的向量控制原理 14
第四章 以FPGA軟體模式為基礎之交流感應馬達驅動器設計 17
4.1 軟體模式的系統程式架構 17
4.1.1 模組架構介紹 18
4.1.2 模組程式設計實例 21
4.1.3 建立相對應SIMULINK控制方塊圖 23
4.2 純量控制模組的建立 24
4.2.1 PI(比例積分)控制器模組 26
4.2.2 V/F控制器模組 28
4.2.3以軟體模式為基礎之純量控制系統 30
4.3 向量控制模組的建立 31
4.3.1 轉子磁通模組 31
4.3.2 計算轉速差模組 33
4.3.3 定子電壓解耦合模組 36
4.3.4 三相靜止座標轉二相靜止座標模組 39
4.3.5 二相同步座標轉二相靜止座標模組 41
4.3.6 二相靜止座標轉二相同步座標模組 42
4.3.7 二相靜止座標轉三相靜止座標模組 44
4.3.8 電機角度計算模組 45
4.3.9 以軟體模式為基礎之向量控制系統 46
第五章 以FPGA硬體模式為基礎之交流感應馬達驅動器設計 47
5.1 硬體描述語言簡介 48
5.1.1 VHDL發展環境 48
5.1.2 VHDL電路設計檔基本架構 49
5.1.3 VHDL模擬環境 50
5.2 純量控制模組建立 50
5.2.1 數位積分器實現 51
5.2.2 PI(比例積分)控制器模組設計 52
5.2.3 V/F控制器模組設計 55
5.2.4 正弦脈寬調變模組設計 58
5.2.5 轉速偵測模組設計 61
5.2.6 電流偵測模組設計 65
6.2.7閉迴路純量控制系統的實現 67
第六章 系統實驗架構與實作結果 69
6.1 系統實驗平台 69
6.1.1 硬體架構 69
6.1.2 發展環境 72
6.2 以FPGA軟體模式為基礎之感應馬達實作結果 72
6.2.1 感應馬達純量控制實作結果 72
6.2.2 感應馬達向量控制實作結果 75
6.3 以FPGA硬體模式為基礎之感應馬達實作結果 79
6.3.1 感應馬達純量控制實作結果 79
第七章 結論與建議 92
7.1 結論 92
7.2 建議 92
參考文獻 93
作者簡介 95
參考文獻

[1]鄭群星,FPGA/CPLD數位晶片設計入門-使用Xilinx ISE發展系統,全華科技圖書,2005年3月。
[2]鄭群星,Xilinx FPGA 數位電路設計入門,東華書局,民國91年8月。
[3]唐佩忠,VHDL 與數位邏輯設計,高立圖書公司,民國88年5月。
[4]V. A. Pedroni, “Circuit Design with VHDL”,MIT Press, London, England, 2004.
[5]詹前茂,電機驅動控制理論與實驗,新文京開發出版,民國92年8月。
[6]江炫樟,電力電子學第三版,全華科技圖書,第8-13~8-52頁,民國93年6月。
[7]張天錫,電力電子學第三版,東華書局,第714-743頁,民國93年9月。
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[16]唐佩忠,FPGA中的DSP核心設計(VHDL高等邏輯實驗),俊原科技股份有限公司,民國92年10月。
[17]詹前茂、葉佳和、彭世興,VHDL-Based電機驅動模擬器晶片設計,第二十七屆電力工程研討會,新竹,2006。
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QRCODE
 
 
 
 
 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               
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